【電子技術部】

次世代 EMC 試験に適用可能な光伝送システムの開発
菅間秀晃、土屋柳澤明久（電子技術部幸樹、諏訪部橋本

１．

はじめに電磁環境グループ）

豊（株式会社多摩川電子）

修、須賀良介（青山学院大学）といった利点を活かせる分野での活用が期待できる。

EV（電気自動車）や IoT（モノのインターネット）の技術開発において必須な EMC 計測（電磁ノイズ計測）およ

光給電 RoF レシーバシステムは、EMI 測定において、放射妨害波測定（30MHz～1GHz）、1GHz 超の放射妨害波び電波計測に適用可能な光給電 RoF（Radio on Fiber；光ファイバ無線）システム 1)2)を開発した。本研究は、青山学測定（1GHz～6GHz）などでの利用が期待できる。これらの測定では、同軸ケーブルで 10m を超える長距離の信号院大学の電磁波評価技術と当所の EMC 試験技術を活用して株式会社多摩川電子が製品化を行った。

伝送を行っており、シールド性能不足のため外来ノイズの影響を受ける可能性がある。一般的な電波暗室の配線ピッ自動車産業では、自動車の電動化（EV、HEV など）、コ
ネクティッドカーや自動運転技術、ワイヤレス充電など、

ト内は、図 5 に示すように、計測用同軸ケーブル、アンテ
ナマストとターンテーブルの駆動用電力ケーブル、EUT電気・電子化が急速に進んでおり、安全性を確保する上で高精度な EMC 計測が今後重要になる。しかし、モーターやインバータから高電圧（数千 V）・大電流（数千 A）のスイッチングノイズが発生している劣悪な電磁環境下で、高精度に EMC 計測を行うためには、従来の金属製同軸ケーブルでは外来ノイズの混入を防ぐことが困難である。そこで開発した光給電 RoF システムは、光ファイバの高絶縁性や広帯域低損失といった特徴を活かした高精度なEMC 計測を実現する有効な技術である。さらに IoT や 5G（第 5 世代移動通信システム）開発でのアンテナ評価にも活用が期待できる。

２．

光給電 RoF システム

光給電 RoF システムは、図 1 に示すように電気信号を光信号に変換して光ファイバで伝送するだけでなく、センサヘッド内の電子回路への給電も光ファイバで行うため、

図 1 光給電 RoF システムの原理（レシーバ）長時間の測定も可能である。開発した光伝送システムは、
図 2 に示すように光給電 RoF レシーバシステム（センサヘッド＋制御コントローラ）および光給電 RoF トランスミッタシステム（センサヘッド＋制御コントローラ）から構成される。
光給電 RoF システムの伝送特性は、周波数 10kHz～10MHz をトラッキングジェネレータ（TG）内蔵のスペクトラム・アナライザ（SA；E4407B）で測定し、周波数 10MHz～20GHz をベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA；E8363B)で測定した。光給電 RoF レシーバシステムは、図3 に示すように周波数 10kHz～6GHz をカバーしており、伝送ケーブルとしては約 8dB（一定）の減衰量となっている。また、光給電 RoF トランスミッタシステムは、図 4に示すように周波数 100kHz～10GHz をカバーしており、伝送ケーブルとしては約 8dB（一定）の減衰量となっている。このため、低周波領域や 10m 以下の信号伝送におい

図 2 光給電 RoF レシーバシステムとては同軸ケーブルに比べ減衰量が大きいので、不利な面もあるが、光ファイバの軽量、優れた屈曲性及び高い絶縁性

光給電 RoF トランスミッタシステム

29

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】と対向機の接続ケーブルなど様々なケーブルを設置してになる場合もある。また、アンテナ等を移動させて測定すいるため、測定中に原因不明のノイズにより再測定が必要るような場合は、同軸ケーブルの屈曲や金属床面との接触などにより伝送特性が変化して測定値が変動する恐れがある。光給電 RoF レシーバシステムは屈曲性に優れた光ファイバで信号伝送を行うため、外来ノイズの混入や金属床面等の影響を受けることがないため、高精度な EMI 測定が可能となる。
光給電 RoF トランスミッタシステムは、電波暗室の特性評価である正規化サイトアッテネーション測定（NSA測定）やサイト VSWR 測定（SVSWR 測定）において送信アンテナ側に用いることで、同軸ケーブルからの電磁放射や反射波の影響を除去する手法として期待できる。また、小型アンテナ等の指向性測定においても同軸ケーブルの影響を除去する手法として期待できる。

(a) 10kHz～10MHz(SA＋TG)

３．

実験方法

EMC に関する試験計測は、電子機器の種類や電子材料の用途等により試験方法や周波数範囲が大きく異なる。一
般的な電子機器、HEV（ハイブリッド車）や EV（電気自動車）などに搭載させる電子機器（車載機器）、ノイズ対策部品・材料などにおいて、光伝送システムが有効と考えられる試験方法について検討を行った。

３．１

低周波領域での電磁波シールド材評価

電磁波シールド効果（磁界シールド）は、図 6 の(a)に示(b) 10MHz～20GHz(VNA)

すように VNA と KEC 法治具により周波数 100kHz～1GHzで測定を行うことができる。しかし、図 6 の(b)に示すよう

図 3 光給電 RoF 給電レシーバシステムの伝送特性に、KEC 法はその構造上、 VNA を使用すると同軸ケーブルの外部導体によるグランドループを形成してしまう。周波数 1MHz 以下では同軸ケーブルのシールド性能が低いため、送信側の信号の一部がグランドループを介して受信側の同軸ケーブル内に混入してしまい、測定ダイナミックレンジが大きく低下する。そのため高い絶縁性を有する光ファイバによる光伝送システムの活用が期待できる。そこ
で、周波数 100kHz において測定ダイナミックレンジ 60dB以上を達成することを目標に光伝送システムを用いたシールド効果測定システムを検討した。

３．２

マイクロ波帯域の電波吸収材評価(a) 10kHz～10MHz(SA＋TG)

IoT や 5G の普及により、周波数 1GHz～6GHz の領域で

(b) 10MHz～20GHz(VNA)

図 5 電波暗室の配線ピット

図 4 光給電 RoF トランスミッタシステムの伝送特性

KISTEC研究報告2019（2019.7）30

【電子技術部】(a) KEC 法による磁界シールド効果測定

図 7 マイクロ波帯の電波吸収率測定(b) KEC 法と VNA を接続した場合の等価回路モデル
図 6 低周波領域での電磁波シールド効果測定
図 8 ノイズ抑制シートの輻射抑制率測定利用される無線通信システムによる電磁環境問題が多数発生する可能性がある。現在、電波を吸収するシートや塗料などの電波吸収材を壁、床、天井などに施工することで電波の伝搬特性を改善することができるが、高価であるため、低コストで作製できる電波吸収材を開発するニーズがある。
周波数 1GHz 以上のマイクロ波帯において電波吸収率は、
図 7 に示すようにホーンアンテナによる自由空間法で測定できる 3)。電波吸収材は、電波の入射角度によって電波吸収率が変化するので、送受信アンテナの角度を可変する必要がある。しかし、屈曲性に乏しい同軸ケーブルも一緒

図 9 ボアサイトによる EMI 測定に動かす必要があるため、測定の再現性が乏しい。そのため光ファイバの高い屈曲性能を有する光伝送システムの活用が期待できる。

RoF トランスミッタシステムを使用することで、同軸ケーブルを使用した場合に比べて正確な測定が可能となる。

３．３

３．４

ノイズ抑制シートの輻射抑制率評価

ボアサイトによる EMI 測定

米国の FCC（連邦通信委員会）Part15 で規定する 1GHz超の EMI 測定（1GHz～6GHz）では、図 9 に示すように受

主に周波数 500MHz 以上の EMI 対策には、回路基板や金属筐体に貼り付けるだけでノイズの電磁エネルギーを吸収する効果をもつノイズ抑制シート（NSS）が用いられ

信アンテナの高さを 1m～4m の範囲でスキャンし、かつアンテナのメインローブが常に EUT の方向になるようにチている。NSS の評価方法の一つに図 8 に示す輻射抑制率測定がある 4)。この測定では、ノイズの放射源にマイクロス

ルト機構を追加してボアサイト測定することになっている 5)。しかし、国際規格の CISPR（国際無線障害特別委員

トリップライン（MSL）を形成したプリント基板が用いられる。しかし、終端された MSL からの電磁放射のレベル会）Pub.32 では、1m 立方以内の小型 EUT は、受信アンテナは高さ 1m に固定して測定することになっており、両者は非常に低いため、MSL 基板に接続した同軸ケーブルからの電磁放射の影響が無視できない。そこで、送信側に光の測定結果に差異が生じる可能性がある。しかし、FCC31KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】の方法で測定するために、同軸ケーブルは太くて屈曲性に乏しい低損失タイプ（SUCOFLEX 106 など）を使用し、長さは 15m 以上必要となる。このため、光給電 RoF レシ

４．２ーバシステムを利用すると、細くて屈曲性に優れた低損失の光ファイバの有効性が十分活かせると考えられる。

電 RoF トランスミッタシステム、受信アンテナの同軸ケーブルを光給電 RoF レシーバシステムにそれぞれ置き換

自由空間法による電波吸収率測定

図 13 に示すように送信アンテナの同軸ケーブルを光給えて電波吸収率の角度依存性を測定した。送受信に標準ゲインホーンアンテナを用いて 5GHz～8GHz において測定

４． 結果及び考察
４．１ KEC 法による磁界シールド効果測定
図 10 にスペクトラム・アナライザ（TG 内蔵）と KECを行った。VNA のタイムドメイン機能により、壁、床、天井などからの不要な反射波を除去することで測定ダイ法（磁界シールド）を同軸ケーブルで接続して測定したスルー特性（基準）及び銅板（厚さ 2mm）を挿入したときナミックレンジの拡大を図っている。今回の評価サンプル
は、ETC 用の 5.8GHz 帯で電波吸収特性を有する厚さ約の伝送特性を示す。これらの差分がシールド効果となるが、グランドループの影響により 1MHz 以下でダイナミック2mm のゴムシートとした。
図 14 に測定結果を示す。入射角度 30°の場合に最大の電レンジが低下している。そこで、図 11 に示すように送信側に光給電 RoF トランスミッタを用いて磁界シールド測波吸収率（約 50dB）であることが確認できた。

定システムを構築した。その結果、図 12 に示すように100kHz において約 60dB のダイナミックレンジを達成す４．３ることができた。このため、EV のワイヤレス充電（85kHz）などに使用される高いシールド性能を要求されるシールを用いて輻射抑制率測定システムを構築した。評価用MSL 基板（10cm×5cm）のライン上に厚みの異なる NSSド材の磁界シールド評価に利用できると考える。

を貼りつけた場合と無い場合における放射電界強度（dBμV/m）を 300MHz～1GHz で測定し、それらの差分が輻ノイズ抑制シートの輻射抑制率測定

図 15 に示すように光給電 RoF トランスミッタシステム射抑制率となる。同軸ケーブルを用いた場合と比較した結果を図 16 に示す。同軸ケーブルで給電した場合は、ケーブルからの直接放射レベルが高いため、輻射抑制率が負の値になる領域もあるが、光給電 RoF トランスミッタシス
テムを使用すると輻射抑制率が正の値となり、予想される結果となった。

４．４

ボアサイトによる EMI 測定

図 17 に示すように光給電 RoF レシーバシステムを用いてボアサイトによる 1GHz 超の EMI 測定を行った。放射図 10 同軸系におけるグランドループの影響

図 13 光伝送システムを用いた電波吸収率測定

60dB@100kHz

磁界シールド効果[dB]

図 11 光伝送システムを用いた磁界シールド測定

銅板 厚さ2mm
測定限界

100[kHz]1[MHz]

10[MHz]周波数

図 14 電波吸収率の測定結果

図 12 磁界シールド効果の測定結果

KISTEC研究報告2019（2019.7）

32

【電子技術部】

源にはコムジェネレータ（CGE01R）を使用した。図 18

損失な光ファイバの特性を十分活用できるため、光給電は周波数 3GHz におけるハイトパターンを示す。ボアサイ
トでは正確な最大値を得ることができている。この結果か

RoF レシーバシステムは 18GHz まで対応できるように改良する必要がある。

らボアサイト測定の有効性は確認できたが、光伝送システ
ムと同軸ケーブルとの差異は確認できなかった。しかし、

５．

今後の展開

EV などの車載用電子機器の誤動作を誘発する電磁ノイズを正確に測定することが求められている。電気信号を光今後 6GHz 以上の EMI 測定規制が施行された場合は、低信号に変換し、光ファイバによる信号伝送と電力供給を光で行うことによって、外来ノイズの影響を受けずに正確なEMC 計測が行えるメリットを最大限に発揮するために、さらに小型・広帯域・高感度な電磁波計測システムの開発を目指す。
※本研究は、平成 29 年度～30 年度の産学公連携事業化促進研究で実施したものである。

a)サンプル無【参考文献】b)サンプル装着時

1． 大西, 石原, 東山；“直接変調電気/光(EO)変換器を用いた電磁界計測”, 信学技報, PEM2014-15(2015).
2． 西岡, 原口, 安藤, 山浦, 深沢；“光給電 RoF 技術を用いた高絶縁・小型な光送受信モジュール”，信学技評価用基板MSL報,PN2014-48(2015).
“高周波領域における材料定数測定法”，森北
3． 橋本修；

EFF01（厚さ0.1mm）
EFF03（厚さ0.3m）

測定サンプル（トーキン製出版 (2003).
4． 平塚信之；“ノイズ抑制用軟磁性材料とその応用”，三バスタレイド®）

松出版(2008).
5． 佐藤智典；“デジタル・デバイスの FCC 規制への対応”，

図 15 光伝送システムを用いた輻射抑制率測定

科学情報出版, EMC, 373, 65-82(2019)．
【外部発表】口頭発表

プリアンプ（40dB）

1件光給電RoF
レシーバヘッド
チルト装置用
電源・通信ケーブル

ホーンアンテナ（受信）
チルト装置
光ファイバa)

同軸ケーブル

同軸ケーブル

チルト角 -45.9deg.@4m

図 17 光伝送システムを用いたボアサイト測定b)

BS: ボアサイト

光伝送システム

図 18 ハイトパターン測定（水平偏波 3GHz）

図 16 NSS の輻射抑制率測定

33

KISTEC研究報告2019（2019.7）